特開 2024-143662 二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024143662

(43)【公開日】2024-10-11

(54)【発明の名称】二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 6/04 20060101AFI20241003BHJP

   H05B 6/06 20060101ALI20241003BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20241003BHJP

   H02M 7/493 20070101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

H05B6/04 321

H05B6/06 366

H02M7/48 E

H02M7/493

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023056442

(22)【出願日】2023-03-30

(71)【出願人】

【識別番号】390029089

【氏名又は名称】高周波熱錬株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【氏名又は名称】内田 敬人

(74)【代理人】

【識別番号】100197538

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 功

(74)【代理人】

【識別番号】100176751

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 耕平

(72)【発明者】

【氏名】杉本 真人

(72)【発明者】

【氏名】田中 裕高

(72)【発明者】

【氏名】益田 洋平

【テーマコード（参考）】

3K059

5H770

【Ｆターム（参考）】

3K059AA02

3K059AA09

3K059AA10

3K059AC12

3K059AD30

5H770CA02

5H770DA01

5H770DA14

5H770DA17

5H770DA22

5H770DA41

5H770EA11

(57)【要約】

【課題】耐久性が高い二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置を提供する。
【解決手段】二周波電源装置１は、低周波電流と高周波電流とを交互に出力する電源部１０を備える。電源部１０は、直流電流を低周波電流及び高周波電流に変換するインバータ３０と、インバータ３０を制御する制御部４０と、を有する。制御部４０は、第１電力Ｗ１にて第１周波数λ１を探索する第１探索期間Ｔ２１と、第１探索期間Ｔ２１の後、第２周波数λ２を探索する第２探索期間Ｔ２２と、を実現し、その後、第１電力Ｗ１よりも大きい第２電力Ｗ２にて低周波電流を出力する第１出力期間Ｔ１１と、出力を停止する第１休止期間Ｔ１２と、高周波電流を出力する第２出力期間Ｔ１３と、出力を停止する第２休止期間Ｔ１４と、をこの順に繰り返し実現する。第１電力Ｗ１は１ｋＷ以上１００ｋＷ以下である。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１周波数の第１交流電流と、前記第１周波数よりも高い第２周波数の第２交流電流と、を交互に出力する電源部と、
第１マッチングトランスを有し、前記電源部の出力電流が入力され、前記第１交流電流を出力可能な第１整合器と、
第２マッチングトランスを有し、前記電源部の出力電流が入力され、前記第２交流電流を出力可能な第２整合器と、
を備え、
前記電源部は、
直流電流を前記第１交流電流及び前記第２交流電流に変換するインバータと、
前記インバータを制御する制御部と、
を有し、
前記制御部は、
第１電力にて前記第１周波数を探索する第１探索期間と、
前記第１探索期間の後、前記第２周波数を探索する第２探索期間と、
を実現し、その後、
前記第１電力よりも大きい第２電力にて前記第１交流電流を出力する第１出力期間と、
出力を停止する第１休止期間と、
前記第２交流電流を出力する第２出力期間と、
出力を停止する第２休止期間と、
をこの順に繰り返し実現し、
前記第１電力は１ｋＷ以上１００ｋＷ以下である二周波電源装置。

【請求項2】

前記第１探索期間において前記第１電力が１ｋＷ以上１００ｋＷ以下にならなかったときは、前記電源部を停止する請求項１に記載の二周波電源装置。

【請求項3】

請求項１または２つに記載の二周波電源装置と、
前記二周波電源装置から前記第１交流電流及び前記第２交流電流が入力されるコイルと、
を備えた高周波加熱装置。

【請求項4】

請求項３に記載の高周波加熱装置と、
前記高周波加熱装置によって加熱されたワークを冷却する冷却装置と、
を備えた高周波焼入装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置に関する。

【背景技術】

【0002】

鋼部材に対して焼入処理を施し、表面を硬化する技術が知られている。焼入処理においては、鋼部材を加熱する工程と、加熱した鋼部材を急冷する工程を続けて実施する。歯車等の複雑な形状の部材の表面を効果的に加熱する方法として、二種類の周波数の高周波を用いた高周波焼入処理が知られている（特許文献１参照）。

【0003】

このような高周波焼入処理に用いられる二周波電源装置においては、耐久性の向上が望まれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４４２７４１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明の実施形態の目的は、耐久性が高い二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の実施形態に係る二周波電源装置は、第１周波数の第１交流電流と、前記第１周波数よりも高い第２周波数の第２交流電流と、を交互に出力する電源部と、第１マッチングトランスを有し、前記電源部の出力電流が入力され、前記第１交流電流を出力可能な第１整合器と、第２マッチングトランスを有し、前記電源部の出力電流が入力され、前記第２交流電流を出力可能な第２整合器と、を備える。前記電源部は、直流電流を前記第１交流電流及び前記第２交流電流に変換するインバータと、前記インバータを制御する制御部と、を有する。前記制御部は、第１電力にて前記第１周波数を探索する第１探索期間と、前記第１探索期間の後、前記第２周波数を探索する第２探索期間と、を実現し、その後、前記第１電力よりも大きい第２電力にて前記第１交流電流を出力する第１出力期間と、出力を停止する第１休止期間と、前記第２交流電流を出力する第２出力期間と、出力を停止する第２休止期間と、をこの順に繰り返し実現する。前記第１電力は１ｋＷ以上１００ｋＷ以下である。

【0007】

本発明の実施形態に係る高周波加熱装置は、前記二周波電源装置と、前記二周波電源装置から前記第１交流電流及び前記第２交流電流が入力されるコイルと、を備える。

【0008】

本発明の実施形態に係る高周波焼入装置は、前記高周波加熱装置と、前記高周波加熱装置によって加熱されたワークを冷却する冷却装置と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

本発明の実施形態によれば、耐久性が高い二周波電源装置、高周波加熱装置及び高周波焼入装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、第１の実施形態に係る高周波焼入装置を示すブロック図である。

【図2】図２は、第１の実施形態に係る高周波加熱装置を示すブロック図である。

【図3】図３は、第１の実施形態に係る二周波電源装置の電源部を示すブロック図である。

【図4】図４は、電源部のインバータを示す回路図である。

【図5】図５（ａ）は、第１整合器を示す回路図であり、図５（ｂ）は第２整合器を示す回路図である。

【図6】図６は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧をとって、第１の実施形態におけるインバータの動作を示すタイミングチャートである。

【図7】図７は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧をとって、第１の実施形態における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。

【図8】図８は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧及びその周波数をとって、第１の実施形態における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。

【図9】図９は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧及びその周波数をとって、第２の実施形態における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。

【図10】図１０は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧及びその周波数をとって、第２の実施形態の変形例における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。

【図11】図１１は、第３の実施形態に係る高周波加熱装置を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜第１の実施形態＞
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る高周波焼入装置を示すブロック図である。

【0012】

図１に示すように、本実施形態に係る高周波焼入装置１００においては、高周波加熱装置１０１と、冷却装置１０２が設けられている。高周波加熱装置１０１は、ワーク２００を誘導加熱する。ワーク２００は鋼からなる部材であり、例えば、複雑な形状の部材であり、例えば、歯車である。高周波加熱装置１０１は、ワーク２００の焼入予定部分、例えば、表面の一部をオーステナイト変態点よりも高い温度まで加熱する。冷却装置１０２は例えば水冷装置であり、高周波加熱装置１０１によって加熱されたワーク２００を急冷する。

【0013】

図２は、本実施形態に係る高周波加熱装置を示すブロック図である。
図２に示すように、本実施形態に係る高周波加熱装置１０１においては、二周波電源装置１と、コイル９０が設けられている。コイル９０はワーク２００の近傍に配置され、二周波電源装置１から交流電流が供給される。これにより、コイル９０はワーク２００を誘導加熱する。

【0014】

二周波電源装置１においては、電源部１０と、第１整合器６０と、第２整合器７０と、変成器８０が設けられている。電源部１０は、第１周波数の低周波電流（第１交流電流）と、第１周波数よりも高い第２周波数の高周波電流（第２交流電流）と、を交互に出力する。一例では、第１周波数は３ｋＨｚであり、第２周波数は８０ｋＨｚである。

【0015】

第１整合器６０及び第２整合器７０は、電源部１０の出力端子に接続されている。第１整合器６０は低周波電流にマッチングされており、電源部１０から出力された低周波電流を通過させる。第２整合器７０は高周波電流にマッチングされており、電源部１０から出力された高周波電流を通過させる。第１整合器６０と変成器８０との間には、共振用の整合コンデンサ６９が設けられており、低周波電流の周波数（第１周波数）で共振するように調整されている。第２整合器７０と変成器８０との間にも、共振用の整合コンデンサ７９が設けられており、高周波電流の周波数（第２周波数）で共振するように調整されている。但し、後述するように、第１周波数及び第２周波数は、それぞれ共振周波数よりも僅かに高くする。これにより、低周波電流及び高周波電流において、電流変化が電圧変化よりも僅かに遅れる「遅れ位相」を実現できる。変成器８０は、第１整合器６０の出力電流及び第２整合器７０の出力電流が入力され、入力された電流の電圧及び電流を変換してコイル９０に対して出力する。

【0016】

図３は、本実施形態に係る二周波電源装置の電源部を示すブロック図である。
図３に示すように、二周波電源装置１の電源部１０においては、外部から入力された交流電流Ｉ_１を直流電流Ｉ_２に変換するコンバータ２０と、コンバータ２０から出力された直流電流Ｉ_２を任意の周波数の交流電流Ｉ_３に変換するインバータ３０と、コンバータ２０及びインバータ３０を制御する制御部４０と、が設けられている。また、電源部１０には、インバータ３０に接続された一対の出力端子１１及び１２が設けられている。なお、本明細書において、「直流」には、電流値が一定である狭義の直流の他に、脈流も含まれる。インバータ３０は、コンバータ２０から入力された直流電流Ｉ_２を上述の低周波電流及び高周波電流に変換して出力する。

【0017】

図４は、電源部のインバータを示す回路図である。
図４に示すように、インバータ３０においては、スイッチング素子３１～３４が設けられている。スイッチング素子３１～３４は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。なお、スイッチング素子３１～３４は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）であってもよい。各スイッチング素子３１～３４には、スイッチング部分とダイオード部分とが設けられており、相互に並列に接続されている。スイッチング部分はゲートを含み、ゲートに印加された電位によって導通と非導通とが切り替わる。

【0018】

また、インバータ３０には、高電位配線３５及び低電位配線３６が設けられている。高電位配線３５にはコンバータ２０から高電位側電位が供給され、低電位配線３６にはコンバータ２０から低電位側電位が供給される。

【0019】

スイッチング素子３１は、高電位配線３５（高電位側電位）と電源部１０の出力端子１１との間に接続されている。スイッチング素子３２は、低電位配線３６（低電位側電位）と出力端子１１との間に接続されている。スイッチング素子３３は、高電位配線３５と電源部１０の出力端子１２との間に接続されている。スイッチング素子３４は、低電位配線３６と出力端子１２との間に接続されている。

【0020】

スイッチング素子３１～３４の各ゲートは、制御部４０に接続されている。制御部４０はスイッチング素子３１～３４の各ゲートに所望の電位を印加することにより、スイッチング素子３１～３４のスイッチング部分の導通／非導通を相互に独立して切り替えることができる。図４においては、出力端子１１と出力端子１２との間に負荷Ｌを接続している。負荷Ｌは、上述の第１整合器６０、整合コンデンサ６９、第２整合器７０、整合コンデンサ７９、変成器８０及びコイル９０を含んでいる。

【0021】

なお、高電位配線３５と低電位配線３６との間には、スイッチング素子３１～３４からなるブリッジ回路が複数個、並列に接続されていてもよい。これにより、コイル９０に供給する電流を増加させることができる。

【0022】

図５（ａ）は、第１整合器を示す回路図であり、図５（ｂ）は第２整合器を示す回路図である。
図５（ａ）に示すように、第１整合器６０においては、マッチングトランス６１が設けられている。マッチングトランス６１においては、端子６２と、一次コイル６３と、二次コイル６４と、鉄芯６５が設けられている。一次コイル６３は電源部１０に接続されており、二次コイル６４は整合コンデンサ６９に接続されている。端子６２は一次コイル６３における電流が流れる部分の巻数を選択することにより、一次コイル６３のインピーダンスを調整する。一次コイル６３と二次コイル６４は鉄芯６５に巻かれており、磁気的に相互に結合している。

【0023】

同様に、図５（ｂ）に示すように、第２整合器７０においては、マッチングトランス７１が設けられている。マッチングトランス７１においては、端子７２と、一次コイル７３と、二次コイル７４と、鉄芯７５が設けられている。一次コイル７３は電源部１０に接続されており、二次コイル７４は整合コンデンサ７９に接続されている。端子７２は一次コイル７３における電流が流れる部分の巻数を選択することにより、一次コイル７３のインピーダンスを調整する。一次コイル７３と二次コイル７４は鉄芯７５に巻かれており、磁気的に相互に結合している。

【0024】

次に、本実施形態に係る高周波焼入装置の動作について説明する。
図６は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧をとって、本実施形態におけるインバータの動作を示すタイミングチャートである。
図７は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧をとって、本実施形態における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。

【0025】

図６及び図７の縦軸が表す出力電圧は、出力端子１２に対する出力端子１１の電位である。
なお、図７においては、電流の波形と周波数の切り替えのタイミングを同時に可視化するために、横軸の縮尺は正確でなくなっている。実際には、低周波電流が出力される第１出力期間Ｔ１１、第１休止期間Ｔ１２、高周波電流が出力される第２出力期間Ｔ１３、及び、第２休止期間Ｔ１４の長さは、各電流の周期に対して十分に長い。後述する図８～図１０についても図７と同様である。なお、電源部１０の出力電圧は方形波であり、出力電流は正弦波である。

【0026】

図３に示すように、電源部１０のコンバータ２０には、交流電流Ｉ_１として、例えば、商用の交流電流、例えば、４４０Ｖの三相電流が入力される。コンバータ２０は交流電流Ｉ_１を平滑化して直流電流Ｉ_２を生成し、インバータ３０に対して出力する。直流電流Ｉ_２の最大電圧は例えば５５０Ｖである。

【0027】

図４及び図６に示すように、電源部１０の制御部４０は、第１導通期Ｔ１、第１不通期Ｔ２、第２導通期Ｔ３及び第２不通期Ｔ４を、この順に繰り返し実現する。

【0028】

第１導通期Ｔ１においては、制御部４０は、スイッチング素子３１及びスイッチング素子３４を導通させ、スイッチング素子３２及びスイッチング素子３３を導通させない。これにより、負荷Ｌには図４に実線の矢印Ａ１で示す順方向の電圧が印加される。

【0029】

第１不通期Ｔ２においては、制御部４０は、スイッチング素子３１、３２、３３及び３４を全て導通させない。このとき、スイッチング素子３２及び３３のダイオード部分には出力電流が流れるため、負荷Ｌには破線の矢印Ａ２で示す逆方向の電圧が印加される。

【0030】

第２導通期Ｔ３においては、制御部４０は、スイッチング素子３２及びスイッチング素子３３を導通させ、スイッチング素子３１及びスイッチング素子３４を導通させない。これにより、負荷Ｌには図４に破線の矢印Ａ２で示す逆方向の電圧が印加される。

【0031】

第２不通期Ｔ４においては、制御部４０は、スイッチング素子３１、３２、３３及び３４を全て導通させない。このとき、スイッチング素子３１及び３４のダイオード部分には出力電流が流れるため、負荷Ｌには実線の矢印Ａ１で示す順方向の電圧が印加される。

【0032】

このようにして、図３に示すように、インバータ３０は交流電流Ｉ_３を出力する。そして、制御部４０が第１導通期Ｔ１、第１不通期Ｔ２、第２導通期Ｔ３及び第２不通期Ｔ４からなるサイクルの周期を切り替えることにより、電源部１０は低周波電流と高周波電流を交互に出力する。図７に示すように、低周波電流を出力する第１出力期間Ｔ１１の長さと、高周波電流を出力する第２出力期間Ｔ１３の長さは、それぞれ任意に制御することができる。例えば、第１出力期間Ｔ１１の長さと第２出力期間Ｔ１３の長さの比は、１：１としてもよい。この場合、第１出力期間Ｔ１１の長さと第２出力期間Ｔ１３の長さは、それぞれ、５０ｍｓ（ミリ秒）としてもよい。

【0033】

図２に示すように、第１整合器６０から変成器８０までの共振回路のインダクタンスにより第１周波数が選択されることにより、電源部１０から出力された低周波電流が第１整合器６０を通過する。同様に、第２整合器７０から変成器８０までの共振回路のインダクタンスにより第２周波数が選択されることにより、電源部１０から出力された高周波電流が第２整合器７０を通過する。第１整合器６０から出力された低周波電流及び第２整合器７０から出力された高周波電流は、変成器８０に入力される。変成器８０は、入力された電圧及び電流を変換して、コイル９０に対して出力する。

【0034】

これにより、コイル９０は、ワーク２００を誘導加熱する。このとき、コイル９０には低周波電流及び高周波電流が供給されるため、ワーク２００が複雑な形状であっても、焼入予定部分を均一に加熱することが可能である。例えば、ワーク２００が歯車である場合、低周波電流によってワーク２００の歯底を加熱し、高周波電流によってワーク２００の歯先を加熱する。

【0035】

図１に示すように、高周波加熱装置１０１がワーク２００の焼入予定部分をオーステナイト変態点よりも高い温度まで加熱した後、冷却装置１０２がワーク２００を急冷する。これにより、ワーク２００の焼入予定部分に焼入処理が施される。

【0036】

次に、本実施形態に係る高周波焼入装置の加熱開始時の動作について説明する。
図８は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧及びその周波数をとって、本実施形態における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。

【0037】

図８に示すように、二周波電源装置１が起動され、ワーク２００の加熱を開始するときに、電源部１０の制御部４０は先ず第１探索期間Ｔ２１を実現する。第１探索期間Ｔ２１において、制御部４０は第１電力Ｗ１にて第１周波数λ１を探索する。前述の如く、第１周波数λ１は第１整合器６０を通過できるような周波数である。第１電力Ｗ１は第１電圧Ｖ１と電流値と力率の積である。第１電力Ｗ１は、第１出力期間Ｔ１１及び第２出力期間Ｔ１３において出力する第２電力Ｗ２よりも小さく、且つ、１ｋＷ以上１００ｋＷ以下である。一例では、第２電圧Ｖ２は５５０Ｖであり、第１電圧Ｖ１は３０Ｖであり、第１電力Ｗ１は５ｋＷである。

【0038】

具体的には、制御部４０は、図４に示すスイッチング素子３１、３２、３３及び３４を制御することにより、第１導通期Ｔ１、第１不通期Ｔ２、第２導通期Ｔ３及び第２不通期Ｔ４の繰り返し周期を変化させて、低周波電流の周波数を変化させる。低周波電流の周波数は、第１整合器６０、整合コンデンサ６９、変成器８０及びコイル９０を含む電流経路の共振周波数（以下、「第１共振周波数」という）に近い値とし、第１共振周波数よりも僅かに高く設定する。第１共振周波数は、上述の電流経路の構成の他に、コイル９０の形状及び温度、並びに、コイル９０とワーク２００との位置関係にも依存するため、ある程度変動する。このため、第１周波数λ１は加熱開始時に毎回探索し、必要に応じて加熱途中にも探索し直し、探索された第１共振周波数に合わせて、低周波電流が僅かに遅れ位相になるように制御する。

【0039】

低周波電流の周波数は第１共振周波数の近傍であれば第１整合器６０を通過可能である。周波数が第１共振周波数よりも僅かに高いと、電流変化が電圧変化よりも遅れる「遅れ位相」となり、周波数が第１共振周波数よりも僅かに低いと、電流変化が電圧変化よりも進む「進み位相」となる。このため、出力電圧と出力電流の位相を検出することにより、第１共振周波数を探索できる。第１周波数λ１は第１共振周波数よりも僅かに高く設定する。これにより、低周波電流に第１整合器６０を通過させつつ、遅れ位相を実現できる。

【0040】

制御部４０は、第１探索期間Ｔ２１の後、第１探索休止期間Ｔ２２を実現する。第１探索休止期間Ｔ２２においては、制御部４０はスイッチング素子３１、３２、３３及び３４を全て非導通とし、電流の出力を停止する。

【0041】

制御部４０は、第１探索休止期間Ｔ２２の後、第２探索期間Ｔ２３を実現する。第２探索期間Ｔ２３において、制御部４０は第１電力Ｗ１にて第２周波数λ２を探索する。第２周波数λ２は、第２整合器７０、整合コンデンサ７９、変成器８０及びコイル９０を含む電流経路の共振周波数（以下、「第２共振周波数」という）に近い値とし、第２共振周波数よりも僅かに高く設定する。これにより、高周波電流に第２整合部７０を通過させつつ、遅れ位相を実現できる。第２探索期間Ｔ２３において、第２共振周波数を探索した後は、電力を第１電力Ｗ１から第２電力Ｗ２まで徐々に増加させる。

【0042】

制御部４０は、第２探索期間Ｔ２３の後、第２探索休止期間Ｔ２４を実現する。第２探索休止期間Ｔ２４においては、制御部４０はスイッチング素子３１、３２、３３及び３４を全て非導通とし、電流の出力を停止する。

【0043】

その後、制御部４０は、第１出力期間Ｔ１１、第１休止期間Ｔ１２、第２出力期間Ｔ１３及び第２休止期間Ｔ１４をこの順に繰り返し実現する。第１出力期間Ｔ１１においては、第１探索期間Ｔ２１において設定された第１周波数λ１により、低周波電流を出力する。低周波電流の出力は第１電力Ｗ１よりも大きい第２電力Ｗ２となる。第２電力Ｗ２は第２電圧Ｖ２と電流値と力積の積である。第２出力期間Ｔ１３においては、第２探索期間Ｔ２２において設定された第２周波数λ２により、第２電力Ｗ２にて、高周波電流を出力する。第１休止期間Ｔ１２及び第２休止期間Ｔ１４においては、スイッチング素子３１、３２、３３及び３４を全て非導通として、出力を停止する。

【0044】

本実施形態においては、第１探索期間Ｔ２１において出力する第１電力Ｗ１を１ｋＷ以上１００ｋＷ以下とすることにより、第１探索期間Ｔ２１における第１共振周波数が第１出力期間Ｔ１１における第１共振周波数から大きくずれることを抑制し、第１周波数λ１を正確に設定できる。これにより、第１出力期間Ｔ１１において、第１周波数λ１が第１共振周波数よりも低くなり、低周波電流が進み位相になることを抑制できる。この結果、第１出力期間Ｔ１１の開始時においてサージ電圧が発生することを抑制し、このサージ電圧によってスイッチング素子３１、３２、３３及び３４が損傷を受けることを抑制できる。

【0045】

なお、仮に、第１電力Ｗ１が１ｋＷ未満であると、第１探索期間Ｔ２１における第１共振周波数が第１出力期間Ｔ１１における第１共振周波数から大きくずれてしまう場合がある。この場合は、第１探索期間Ｔ２１において設定された第１周波数λ１を第１出力期間Ｔ１１において適用すると、第１周波数λ１が第１共振周波数よりも低くなり、進み位相になることがある。進み位相になるとサージ電圧が発生し、スイッチング素子３１、３２、３３及び３４が破壊される場合がある。

【0046】

進み位相になるとサージ電圧が発生する理由は以下のとおりである。
第１導通期Ｔ１においてスイッチング素子３１及びスイッチング素子３４が導通すると、高電位配線３５からスイッチング素子３１、負荷Ｌ、スイッチング素子３４を介して低電位配線３６に電流が流れる。進み位相であると、第１導通期Ｔ１の途中で電流の方向が逆転し、低電位配線３６からスイッチング素子３４のダイオード部分、負荷Ｌ、スイッチング素子３１のダイオード部分を介して高電位配線３５に電流が流れる。第１不通期Ｔ２においても同様に電流が流れる。

【0047】

その後、第２導通期Ｔ３に移行し、スイッチング素子３２及びスイッチング素子３３が導通すると、スイッチング素子３１のダイオード部分とスイッチング素子３２のスイッチング部分がアーム短絡して大電流が流れると共に、スイッチング素子３３のスイッチング部分とスイッチング素子３４のダイオード部分がアーム短絡して大電流が流れる。このとき、スイッチング素子３１のダイオード部分とスイッチング素子３４のダイオード部分には逆電圧が印加される。

【0048】

そして、スイッチング素子３１のダイオード部分とスイッチング素子３４のダイオード部分が、カソードから電流が流れ込まない状態に逆回復（リカバリー）すると、電流が急激に小さくなる。このような急激な電流の変化により、スイッチング素子３１及びスイッチング素子３４の両端に大きなサージ電圧が発生する。

【0049】

第２導通期Ｔ３から第２不通期Ｔ４を経て第１導通期Ｔ１に移行するときにも、上記と同様な原理により、進み位相であるとスイッチング素子３２とスイッチング素子３３の両端に大きなサージ電圧が発生する。

【0050】

このように、本実施形態によれば、スイッチング素子を保護することができ、耐久性が高い二周波電源装置を実現できる。なお、第２探索期間Ｔ２３においては、第２共振周波数を探索した後、出力電力を第２電力Ｗ２に向けて増加させている。このため、第２出力期間Ｔ１３においては進み位相にならず、サージ電圧も発生しない。但し、第２探索期間Ｔ２３において出力電力を第１電力Ｗ１に維持する場合は、第２探索期間Ｔ２３において出力する第１電力Ｗ１も、１ｋＷ以上１００ｋＷ以下とすることが好ましい。

【0051】

＜第１の実施形態の変形例＞
次に、第１の実施形態の変形例について説明する。
上述の如く、第１電力Ｗ１は第１電圧Ｖ１と電流値と力率の積であるが、通常、設定可能な変数は電圧のみである。このため、負荷Ｌのインピーダンスが想定よりも高い場合は、負荷Ｌに十分な電流が流れず、第１電力Ｗ１が１ｋＷに達しない場合がある。本変形例においては、第１探索期間Ｔ２１において第１電力Ｗ１が１ｋＷ以上にならなかったときは、制御部４０が電源部１０を停止する。これにより、第１出力期間Ｔ１１が開始されることがなく、第１出力期間Ｔ１１の開始時にサージ電圧が流れてスイッチング素子３１、３２、３３及び３４が損傷を受けることを確実に回避できる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。

【0052】

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
図９は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧及びその周波数をとって、本実施形態における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。

【0053】

図９に示すように、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、制御部４０は、第１探索期間Ｔ２１を実現して第１電力Ｗ１にて第１周波数λ１を設定し、第２探索期間Ｔ２２を実現して第１電力Ｗ１にて第２周波数λ２を設定する。第１電力Ｗ１は１ｋＷ以上であることが好ましいが、１ｋＷ未満であってもよい。

【0054】

その後、制御部４０は、第１出力期間Ｔ１１、第１休止期間Ｔ１２、第２出力期間Ｔ１３及び第２休止期間Ｔ１４をこの順に繰り返し実現する。そして、少なくとも１回目の第１出力期間Ｔ１１において、第１出力期間Ｔ１１の開始時に低周波電流の周波数を第３周波数λ３とし、第３周波数λ３から低下させることによって第１共振周波数を再探索して、第１周波数λ１を再設定する。そして、再設定された第１周波数λ１により低周波電流を出力する。第３周波数λ３は、第１探索期間Ｔ２１において設定された第１周波数λ１よりも高く第２周波数λ２よりも低い。例えば、第３周波数λ３は、第１探索期間Ｔ２１において設定された第１周波数λ１の１．０５倍以上であり２倍以下である。例えば、第３周波数λ３は、第１周波数λ１の１．１２倍である。

【0055】

２回目以降の第１出力期間Ｔ１１については、１回目の第１出力期間Ｔ１１と同様に、低周波電流の周波数を第３周波数λ３から低下させることによって第１周波数λ１を再探索してもよく、または、直前の第１出力期間Ｔ１１において使用した第１周波数λ１を適用してもよい。図９は、２回目以降の第１出力期間Ｔ１１についても第３周波数λ３から低下させる例を示している。また、第２出力期間Ｔ１３においては、第２探索期間Ｔ２２において探索された第２周波数λ２をそのまま適用する。

【0056】

本実施形態においては、第１出力期間Ｔ１１において低周波電流の周波数の初期値を第３周波数λ３とし、そこから低下させて第１周波数λ１を再探索している。このため、第１出力期間Ｔ１１における第１共振周波数が第１探索期間Ｔ２１における第１共振周波数から大きくずれた場合でも、第１出力期間Ｔ１１において低周波電流の周波数が第１共振周波数未満となることを確実に回避し、遅れ位相を確実に実現できる。これにより、進み位相に起因してサージ電圧が発生することを抑制できる。このように、本実施形態においても、耐久性が高い二周波電源装置を実現できる。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。

【0057】

＜第２の実施形態の変形例＞
次に、第２の実施形態の変形例について説明する。
図１０は、横軸に時間をとり、縦軸に電源部の出力電圧及びその周波数をとって、本変形例における電源部の動作を模式的に示すタイミングチャートである。

【0058】

図１０に示すように、本変形例においては、２回目以降の第１出力期間Ｔ１１において、周波数を第４周波数λ４から低下させることによって第１周波数λ１を再探索し、再探索された第１周波数λ１によって低周波電流を出力する。第４周波数λ４は、第１探索期間Ｔ２１において探索された第１周波数λ１よりも高く、１回目の第１出力期間Ｔ１１の初期値である第３周波数λ３よりも低い。

【0059】

本変形例によれば、２回目以降の第１出力期間Ｔ１１において、低周波電流の周波数を第１周波数λ１よりも高く第３周波数λ３よりも低い第４周波数から低下させることによって、周波数が第１共振周波数未満となることを確実に回避しつつ、第１周波数λ１の再探索に要する時間を短縮することにより、力率を改善することができる。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、第２の実施形態と同様である。

【0060】

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について説明する。
図１１は、本実施形態に係る高周波加熱装置を示すブロック図である。

【0061】

図１１に示すように、本実施形態に係る二周波電源装置３は、第１の実施形態に係る二周波電源装置１（図２参照）と比較して、変成器８０の替わりに２つの第１変成器８０ａ及び第２変成器８０ｂが設けられている点が異なっている。第１変成器８０ａには、整合コンデンサ６９から低周波電流が入力され、この低周波電流の電流及び電圧を変換して出力する。第２変成器８０ｂには、整合コンデンサ７９から高周波電流が入力され、この高周波電流の電流及び電圧を変換して出力する。第１変成器８０ａから出力された変換後の低周波電流と、第２変成器８０ｂから出力された変換後の高周波電流が合成されて合成電流Ｉ_４となり、コイル９０に入力される。一例では、第１変成器８０ａには鉄芯トランスが設けられており、第２変成器８０ｂには空芯トランスが設けられている。本実施形態における上記以外の構成、動作及び効果は、第１の実施形態と同様である。

【0062】

前述の実施形態は、本発明を具現化した例であり、本発明はこの実施形態には限定されない。例えば、前述の実施形態において、いくつかの構成要素を追加、削除又は変更したものも本発明に含まれる。

【符号の説明】

【0063】

１、３：二周波電源装置
１０：電源部
１１、１２：出力端子
２０：コンバータ
３０：インバータ
３１、３２、３３、３４：スイッチング素子
３５：高電位配線
３６：低電位配線
４０：制御部
６０：第１整合器
６１：マッチングトランス
６２：端子
６３：一次コイル
６４：二次コイル
６５：鉄芯
６９：整合コンデンサ
７０：第２整合器
７１：マッチングトランス
７２：端子
７３：一次コイル
７４：二次コイル
７５：鉄芯
７９：整合コンデンサ
８０：変成器
８０ａ：第１変成器
８０ｂ：第２変成器
９０：コイル
１００：高周波焼入装置
１０１：高周波加熱装置
１０２：冷却装置
２００：ワーク
Ｉ_１：交流電流
Ｉ_２：直流電流
Ｉ_３：交流電流
Ｉ_４：交流電流
Ｌ：負荷
Ｔ１：第１導通期
Ｔ２：第１不通期
Ｔ３：第２導通期
Ｔ４：第２不通期
Ｔ１１：第１出力期間
Ｔ１２：第１休止期間
Ｔ１３：第２出力期間
Ｔ１４：第２休止期間
Ｔ２１：第１探索期間
Ｔ２２：第１探索休止期間
Ｔ２３：第２探索期間
Ｔ２４：第２探索休止期間
λ１：第１周波数
λ２：第２周波数
λ３：第３周波数
λ４：第４周波数
Ｖ１：第１電圧
Ｖ２：第２電圧
Ｗ１：第１電力
Ｗ２：第２電力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】